JP6826016B2 - Secondary battery ion concentration estimation method and ion concentration estimation device - Google Patents
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Description
本発明は二次電池のイオン濃度推定方法及びイオン濃度推定装置に関し、例えば、二次電池の電解液中に溶出した酸化還元物質イオンの濃度を推定する二次電池のイオン濃度推定方法及びイオン濃度推定装置に関する。 The present invention relates to a secondary battery ion concentration estimation method and an ion concentration estimation device. For example, the secondary battery ion concentration estimation method and ion concentration for estimating the concentration of redox substance ions eluted in the electrolytic solution of the secondary battery. Regarding the estimation device.
コバルト、ニッケル等を含んだ水素吸蔵合金を電極に用いた二次電池では、水素吸蔵合金が腐食することによって、合金中の金属が電解液中に溶出する。そして、電解液中に溶出した金属は、正極及び負極上で再析出する。そのため、水素吸蔵合金を電極に用いた二次電池では、金属の再析出により自己放電速度が加速する。このように自己放電速度が速まった場合、二次電池として十分な特性を発揮することができず、二次電池は寿命を終える。そこで、二次放電速度の加速による二次電池の劣化度合いを評価する方法の一例が特許文献1に開示されている。
In a secondary battery using a hydrogen storage alloy containing cobalt, nickel, etc. for the electrode, the metal in the alloy is eluted into the electrolytic solution due to the corrosion of the hydrogen storage alloy. Then, the metal eluted in the electrolytic solution is reprecipitated on the positive electrode and the negative electrode. Therefore, in a secondary battery using a hydrogen storage alloy as an electrode, the self-discharge rate accelerates due to metal reprecipitation. When the self-discharge rate is increased in this way, the secondary battery cannot exhibit sufficient characteristics, and the secondary battery ends its life. Therefore,
特許文献1に記載の電池の評価方法は、正極と、負極と、正極及び負極の電位を測定するための参照極と、を有する電池の評価方法であって、正極と負極間の電位規制中、正極と負極との間に異なる周波数の入力電圧を加えたときに、正極と負極との間に流れる応答電流及び正極と負極とにかかる応答電圧を測定し、正極と参照極の電位差及び負極と参照極の電位差を測定し、前記応答電流と、正極と参照極の電位差と、に基づいて、正極と参照極との間のインピーダンスを算出し、前記応答電流と、負極と参照極の電位差と、に基づいて、負極と参照極との間のインピーダンスを算出する。そして、特許文献1に記載の電池の評価方法を用いることで、充放電中の電極の劣化を算出したインピーダンスに基づき判断する。
The battery evaluation method described in
しかしながら、特許文献1に記載の評価方法では、正極及び負極のインピーダンスまでは測定が可能であるものの、自己放電速度の加速の原因となる電解液中の酸化還元物質イオンの濃度までは知ることができない問題がある。
However, in the evaluation method described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸化還元物質の電解液中のイオン濃度を推定する新たな手法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a new method for estimating the ion concentration of a redox substance in an electrolytic solution.
本発明の二次電池のイオン濃度推定方法の一態様は、二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、測定信号の周波数を所定の間隔で切り替えながら前記二次電池に与えて、前記二次電池の負極インピーダンス値を測定する負極インピーダンス測定器と、前記負極インピーダンス値に基づき前記二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する演算部と、を有するイオン濃度推定装置を用いて二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する二次電池のイオン濃度推定方法であって、所定の充電率になるように調整した二次電池から取得した複数の前記負極インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図を参照し、予め準備され、前記ナイキスト線図の渦巻き形状部分の大きさと酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記渦巻き形状部分の大きさに対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。 One aspect of the method for estimating the ion concentration of a secondary battery of the present invention is to feed the secondary battery with a charge rate adjuster for adjusting the charge rate of the secondary battery and the frequency of the measurement signal while switching the frequency at predetermined intervals. Ion concentration estimation having a negative electrode impedance measuring device for measuring the negative electrode impedance value of the secondary battery and a calculation unit for estimating the ion concentration of the oxidation-reducing substance in the electrolytic solution of the secondary battery based on the negative electrode impedance value. A method for estimating the ion concentration of a secondary battery in which the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery is estimated using an apparatus, wherein a plurality of the negative electrode impedances obtained from the secondary battery adjusted to a predetermined charge rate are obtained. The spiral is prepared in advance with reference to the Nyquist diagram generated using the values, and is referred to the ion concentration estimation information showing the correspondence between the size of the spiral-shaped portion of the Nyquist diagram and the oxidation-reducing substance ion concentration. The oxidation-reducing substance ion concentration corresponding to the size of the shape portion is calculated.
また、本発明の二次電池のイオン濃度推定装置の一態様は、二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定するイオン濃度推定装置であって、二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら測定信号を前記二次電池に出力し、前記二次電池の負極の負極インピーダンス値を前記測定信号の周波数毎に測定する負極インピーダンス測定器と、測定された複数の前記負極インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図に基づき前記二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する演算部と、を有し、前記演算部は、前記ナイキスト線図の渦巻き形状部分の大きさと酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記渦巻き形状部分の大きさに対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。 Further, one aspect of the ion concentration estimation device for the secondary battery of the present invention is an ion concentration estimation device that estimates the ion concentration of the redox substance in the electrolytic solution of the secondary battery, and determines the charge rate of the secondary battery. The charge rate regulator to be adjusted and the measurement signal are output to the secondary battery while switching the frequency of the measurement signal at predetermined frequency intervals, and the negative electrode impedance value of the negative electrode of the secondary battery is measured for each frequency of the measurement signal. It has a negative electrode impedance measuring device to be used, and a calculation unit for estimating the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery based on the Nyquist diagram generated by using the plurality of measured negative electrode impedance values. The calculation unit refers to the ion concentration estimation information showing the correspondence between the size of the spiral-shaped portion of the Nyquist diagram and the redox substance ion concentration, and determines the redox substance ion concentration corresponding to the size of the spiral-shaped portion. calculate.
また、本発明の二次電池のイオン濃度推定方法の一態様は、二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、測定信号の周波数を所定の間隔で切り替えながら前記二次電池に与えて、前記二次電池の正極と負極との間の電池インピーダンス値を測定する電池インピーダンス測定器と、前記電池インピーダンス値に基づき前記二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する演算部と、を有するイオン濃度推定装置を用いて二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する二次電池のイオン濃度推定方法であって、所定の充電率になるように調整した前記二次電池から取得した複数の前記電池インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図を参照し、前記ナイキスト線図のうち遷移周波数領域の前記ナイキスト線図上の予め決められた2つの前記電池インピーダンス値の間の実数値成分の差、又は、虚数値成分の差をそれぞれ実数値変化量、又は、虚数値変化量として算出し、予め準備され、前記実数値変化量又は前記虚数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記実数値変化量又は前記虚数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。 Further, one aspect of the method for estimating the ion concentration of the secondary battery of the present invention is to give the secondary battery a charge rate adjuster for adjusting the charge rate of the secondary battery and the secondary battery while switching the frequency of the measurement signal at predetermined intervals. Then, the battery impedance measuring device that measures the battery impedance value between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery and the ion concentration of the oxidation-reducing substance in the electrolytic solution of the secondary battery are estimated based on the battery impedance value. The above-mentioned two, which is a method for estimating the ion concentration of a secondary battery in which the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery is estimated by using an ion concentration estimation device having a calculation unit, and adjusted so as to have a predetermined charge rate. With reference to the Nyquist diagram generated by using the plurality of battery impedance values obtained from the next battery, the two predetermined battery impedance values on the Nyquist diagram in the transition frequency region of the Nyquist diagram are referred to. The difference between the real value components or the difference between the imaginary value components is calculated as the real value change amount or the imaginary value change amount, respectively, and prepared in advance, and the real value change amount or the imaginary value change amount and the oxidation. The oxidation-reducing substance ion concentration corresponding to the real value change amount or the imaginary value change amount is calculated with reference to the ion concentration estimation information indicating the correspondence with the reducing substance ion concentration.
また、本発明の二次電池のイオン濃度推定装置の一態様は、二次電池の電解液中のイオン濃度を推定するイオン濃度推定装置であって、前記二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら測定信号を前記二次電池に出力し、前記二次電池の正極と負極との間の電池インピーダンス値を前記測定信号の周波数毎に測定する電池インピーダンス測定器と、測定された複数の前記電池インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図に基づき前記二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する演算部と、を有し、前記演算部は、前記ナイキスト線図のうち遷移周波数領域の前記ナイキスト線図上の予め決められた2つの前記電池インピーダンス値の間の実数値成分の差、又は、虚数値成分の差をそれぞれ実数値変化量、又は、虚数値変化量として算出し、予め準備され、前記実数値変化量又は前記虚数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記実数値変化量又は前記虚数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。 Further, one aspect of the ion concentration estimation device for the secondary battery of the present invention is an ion concentration estimation device for estimating the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery, and charging for adjusting the charge rate of the secondary battery. The measurement signal is output to the secondary battery while switching the frequency of the rate adjuster and the measurement signal at predetermined frequency intervals, and the battery impedance value between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery is set for each frequency of the measurement signal. It has a battery impedance measuring device for measuring, and a calculation unit for estimating the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery based on the Nyquist diagram generated by using the plurality of measured battery impedance values. , The calculation unit determines the difference between the real value components or the difference between the imaginary value components between the two predetermined battery impedance values on the Nyquist diagram in the transition frequency region of the Nyquist diagram, respectively. Refer to the ion concentration estimation information calculated as the real value change amount or the imaginary value change amount, prepared in advance, and showing the correspondence between the real value change amount or the imaginary value change amount and the oxidation-reducing substance ion concentration. The oxidation-reducing substance ion concentration corresponding to the real value change amount or the imaginary value change amount is calculated.
本発明にかかる二次電池のイオン濃度推定方法及びイオン濃度推定装置では、測定した電極又は電池のインピーダンス値を取得し、これらのインピーダンス値の測定点間の差を求めて当該差分値に基づき電解液中の酸化還元物質イオン濃度を推定することができる。 In the ion concentration estimation method and the ion concentration estimation device of the secondary battery according to the present invention, the measured electrode or battery impedance values are acquired, the difference between the measurement points of these impedance values is obtained, and electrolysis is performed based on the difference value. The redox ion concentration in the liquid can be estimated.
本発明の二次電池のイオン濃度推定方法及びイオン濃度推定装置によれば、二次電池の電解液中のイオン濃度を推定することが可能になる。 According to the ion concentration estimation method and the ion concentration estimation device of the secondary battery of the present invention, it is possible to estimate the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery.
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to clarify the explanation, the following description and drawings have been omitted or simplified as appropriate. In each drawing, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description is omitted as necessary.
また、以下で説明する処理は、例えば、ECU(Electronic Control Unit)等の演算装置において実行されるプログラムにより実現される。このプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 Further, the processing described below is realized by, for example, a program executed in an arithmetic unit such as an ECU (Electronic Control Unit). This program can be stored and supplied to a computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer-readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-temporary computer-readable media include magnetic recording media (eg, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory) CD-Rs, CDs. -R / W, including semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)). The program may also be supplied to the computer by various types of transient computer readable media. Examples of temporary computer-readable media include electrical, optical, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.
図1に実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1のブロック図を示す。図1に示すように、実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1は、イオン濃度算出装置10、負極インピーダンス測定器31、負極インピーダンス測定器32を有する。
FIG. 1 shows a block diagram of the ion
図1に示すブロック図では、イオン濃度推定装置1の測定対象である電池セル20を示した。電池セル20は、単一の電池セルであり、正極21、負極22、参照電極23を有する。また、電池セル20は、充放電可能な二次電池である。電池セル20は、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等である。この電池セル20についての詳細は後述する。
In the block diagram shown in FIG. 1, the
負極インピーダンス測定器31は、測定信号として交流信号を出力し、この交流信号の周波数を切り替えながら周波数毎に電池セル20の参照電極23と負極22との間のインピーダンス(以下、負極インピーダンスと称す)を測定する。負極インピーダンス測定器31は、例えば、電極の周波数応答を解析する周波数応答解析装置である。
The negative electrode
SOC調整器33は、電池セル20の負極インピーダンスを測定する前に電池セル20の充電率(SOC:State Of Charge)が所定の充電率となるように調節する。
The
イオン濃度算出装置10は、例えば、コンピュータ等の演算装置であり、プログラムを実行する演算部や、負極インピーダンス測定器31、SOC調整器33等を制御するための各種インタフェース、プログラム及び評価結果を格納する記憶装置(不図示)を有する。イオン濃度算出装置10は、負極インピーダンス測定器31で測定された測定値に基づき電池セル20の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する。イオン濃度算出装置10は、測定制御部11、測定値取得部12、演算部13、メモリ14を有する。
The ion
測定制御部11は、予め決められた手順で負極インピーダンス測定器31及びSOC調整器33を制御する。例えば、測定制御部11は、SOC調整器33が電池セル20の充電率を調整するタイミング、及び、負極インピーダンス測定器31が測定信号を出力して電池セル20からインピーダンス値を得るタイミングを制御する。
The
測定値取得部12は、負極インピーダンス測定器31で測定された負極インピーダンス値を取り込み、取り込んだ負極インピーダンス値を用いてナイキスト線図を生成する。このようなインピーダンス測定の方法は電気化学インピーダンス法とも呼ばれる。そして電気化学インピーダンス法では、入力信号の周波数を低周波から高周波まで変化させ、その際のインピーダンス値の変化を複素平面上にプロットしたナイキスト線図(コールコールプロット)を求めて、電池内部の解析を行う。
The measured
演算部13は、例えば、メモリ14等の記憶装置に格納されたプログラムを実行するプログラム実行部である。演算部13は、測定値に基づき電池寿命を推定する。具体的には、演算部13は、測定値取得部12で生成されたナイキスト線図に対して解析を行い、電池セル20の電解液中のイオン濃度を推定する。演算部13は、ナイキスト線図に対する解析処理においては、ナイキスト線図に表れる渦巻き形状波形部分の大きさ(例えば楕円の大きさ)を評価して、この楕円形状の大きさからイオン濃度の推定を行う。具体的には実施の形態1では、2つの処理を行う。第1の処理では、ナイキスト線図上の2つの負極インピーダンス値の間の実数値成分の差を実数値変化量として算出する。以下では、ナイキスト線図に表れる渦巻き形状の大きさを1つの値で判定するために、ナイキスト線図上の隣り合う2つの負極インピーダンス値の実数値成分の差を実数値変化量として求め、この実数値変化量のうち最も値が小さくなる最小実数値変化量を算出する例を一例として説明する。なお、実数値変化量の算出に用いる負極インピーダンス値は、必ずしも隣り合っている必要はなく、一定の間隔で離れているものであれば良い。第2の処理では、予め準備され、ナイキスト線図の渦巻き形状部分の大きさと酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して渦巻き形状部分の大きさに対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。以下では、渦巻き形状部分の大きさを表す指標として最小実数値変化量を用いる例を説明する。つまり、イオン濃度推定情報として最小実数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示した情報を用い、最小実数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度(例えば、Coイオン濃度)を算出する。
The
また、演算部13は、酸化還元物質イオン濃度(例えば、Coイオン濃度)と二次電池の余寿命との関係を示した電池寿命推定情報(例えば、図8のグラフ)を参照して、算出したCoイオン濃度に対応する余寿命を算出する。
Further, the
メモリ14は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。メモリ14には、イオン濃度推定情報及び電池寿命推定情報が格納される。実施の形態1では、イオン濃度推定情報として図7のCoイオン濃度と最小実数値変化量との関係を示すグラフが含まれる。また、電池寿命推定情報は、Coイオン濃度と二次電池の余寿命との関係を示すグラフが含まれる。イオン濃度推定情報及び電池寿命推定情報は、グラフ作成用の電池サンプルを測定することで事前に作成されるものである。なお、イオン濃度推定情報及び電池寿命推定情報は、グラフ情報に限られず、解析に用いる2つの値の対応関係がわかるテーブル、或いは、数式であっても良い。
The
図1では、単セルの電池セルを寿命予測対象として示したが、測定対象のセルは複数の単セルを直列に接続した電池モジュールや組電池とすることもできる。そこで、電池モジュールを寿命予測対象とするイオン濃度推定装置2のブロック図を図2に示す。
In FIG. 1, a single cell battery cell is shown as a life prediction target, but the measurement target cell may be a battery module or an assembled battery in which a plurality of single cells are connected in series. Therefore, FIG. 2 shows a block diagram of the ion
図2では、測定対象とする電池モジュール40を示した。電池モジュール40は、直列に接続された複数の電池セル20により構成される。そして、電池モジュール40に対して1つの正極41、1つの負極42及び電池セル20毎に設けられる参照電極23を有する。そして、イオン濃度推定装置2では、負極インピーダンス測定器31に代えて負極インピーダンス測定器32を有する。負極インピーダンス測定器32は、複数の電池セル20の負極インピーダンスをそれぞれ測定し、測定で得られた複数の電池セルの負極インピーダンスを合成する(例えば、加算する)ことで電池モジュール40の負極インピーダンスを測定値として生成する。
FIG. 2 shows the
続いて、実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1における二次電池のイオン濃度推定方法について詳細に説明する。そこで、まず、電池セル20の添加物(導電材)の酸化還元反応について説明する。図3に電池セル内の酸化還元反応を説明する模式図を示す。
Subsequently, the method for estimating the ion concentration of the secondary battery in the ion
ニッケル水素電池の負極は、水素吸蔵合金からなり、合金中のコバルトが図3で示すように、充放電を繰り返すと電解液(例えば、アルカリ水溶液中)に一旦溶解しコバルトイオン(HCoO2 −)を形成した後に、正極及び負極の表面に再析出する。このようにコバルトの再析出が自己放電速度の加速の原因となる。この自己放電速度の度合いは、電解液中のコバルトイオン(Coイオン)濃度との相間があることが分かった。そこで、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、電解液中のCoイオン濃度を推定し、二次電池の寿命までの期間(余寿命)の判定を行うことを可能とする。 Negative electrode of the nickel hydrogen battery is made of hydrogen storage alloy, as cobalt in the alloy is shown in Figure 3, an electrolytic solution repeatedly charged and discharged (e.g., an alkali aqueous solution) once dissolved cobalt ions (HCoO 2 -) Is formed, and then reprecipitated on the surfaces of the positive electrode and the negative electrode. As described above, the reprecipitation of cobalt causes the acceleration of the self-discharge rate. It was found that the degree of this self-discharge rate has a phase with the cobalt ion (Co ion) concentration in the electrolytic solution. Therefore, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, it is possible to estimate the Co ion concentration in the electrolytic solution and determine the period until the life of the secondary battery (remaining life). ..
続いて、Coイオン濃度と負極インピーダンスとの関係について説明する。そこで、図4に負極インピーダンスのナイキスト線図のCoイオンの有無による違いを説明する図を示す。図4に示すナイキスト線図は、横軸にインピーダンスの実数値成分、縦軸にインピーダンスの虚数値成分をプロットしたものである。負極インピーダンスのナイキスト線図は、測定信号の周波数毎に測定値をグラフ上にプロットしていくことで形成される。図4に示すように、ナイキスト線図は、周波数の変化に応じて徐々に変化する。具体的には、ナイキスト線図は半円形状の曲線となる部分と直線形状となる部分が含まれるように変化する。 Next, the relationship between the Co ion concentration and the negative electrode impedance will be described. Therefore, FIG. 4 shows a diagram for explaining the difference in the negative electrode impedance in the Nyquist diagram depending on the presence or absence of Co ions. In the Nyquist diagram shown in FIG. 4, the horizontal axis is the real value component of impedance and the vertical axis is the imaginary value component of impedance. The Nyquist diagram of the negative electrode impedance is formed by plotting the measured values on the graph for each frequency of the measured signal. As shown in FIG. 4, the Nyquist diagram gradually changes as the frequency changes. Specifically, the Nyquist diagram changes so as to include a semicircular curved portion and a linear portion.
そして、Coイオンによる負極インピーダンスの変化を検証するために、検証用の二次電池にCoイオンを強制的に添加した電池を作成して、図4に示したCoイオン添加無しのナイキスト線図とCoイオン添加有りのナイキスト線図とを作成した。図4では、上図にCoイオン添加無しのナイキスト線図を示し、下図にCoイオン添加有りのナイキスト線図を示した。図4に示すように、Coイオンを加えると、測定信号の周波数が10mHzから10Hzの範囲のナイキスト線図の形状に大きな変化が生じる。具体的には、電解液中のCoイオン濃度が高くなるとナイキスト線図に渦巻き形状の波形が表れる。この渦巻き形状波形は、Coイオン濃度が高くなるほど大きくなる特徴がある。そこで、実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1では、この渦巻き形状の大きさとイオン濃度との関係に着目した二次電池のイオン濃度と余寿命評価を行う。
Then, in order to verify the change in the negative electrode impedance due to Co ions, a battery in which Co ions were forcibly added to the secondary battery for verification was created, and the Nyquist diagram without Co ion addition shown in FIG. 4 was obtained. A Nyquist diagram with Co ion addition was created. In FIG. 4, the upper figure shows a Nyquist diagram without Co ion addition, and the lower figure shows a Nyquist diagram with Co ion addition. As shown in FIG. 4, the addition of Co ions causes a large change in the shape of the Nyquist diagram in which the frequency of the measurement signal ranges from 10 MHz to 10 Hz. Specifically, when the Co ion concentration in the electrolytic solution increases, a spiral waveform appears in the Nyquist diagram. This spiral waveform has a characteristic that it becomes larger as the Co ion concentration increases. Therefore, in the ion
続いて、渦巻き形状が発生する部分の近傍におけるナイキスト線図のCoイオンの有無による違いを説明する。図5に渦巻き形状が発生する部分の近傍の負極インピーダンスのナイキスト線図のCoイオンの有無による違いを説明する図を示す。図5に示すように、溶液中にCoイオンがない場合、負極インピーダンスのナイキスト線図は一旦単調減少し、ある負極インピーダンス値を境に単調増加に変化する。一方、溶液中にCoイオンがある場合、ナイキスト線図には渦巻き形状部分が表れる。このようにCoイオンの有無により電池セル20のナイキスト線図は大きく異なる形状となる。そして、電解液中のCoイオン濃度が高くなるほど、渦巻き形状の楕円部分が大きくなる。
Next, the difference between the presence and absence of Co ions in the Nyquist diagram in the vicinity of the portion where the spiral shape is generated will be described. FIG. 5 shows a diagram for explaining the difference between the presence and absence of Co ions in the Nyquist diagram of the negative electrode impedance in the vicinity of the portion where the spiral shape is generated. As shown in FIG. 5, when there are no Co ions in the solution, the Nyquist diagram of the negative electrode impedance once decreases monotonically and changes to monotonically increase after a certain negative electrode impedance value. On the other hand, when there are Co ions in the solution, a spiral-shaped portion appears in the Nyquist diagram. As described above, the Nyquist diagram of the
実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、図6に示したナイキスト線図上の隣り合う負極インピーダンス値の間の実数値成分の差を実数値変化量として算出し、実数値変化量が最小となる最小実数値変化量を求める。渦巻き形状があると、最小実数値変化量はマイナスの値になり、渦巻き形状の楕円部分が大きくなるほど、最小実数値変化量は小さくなる。図5では、負極インピーダンス値の間の実数値成分の差のうち1Hzの測定信号に対応する変化量と800mHzの測定信号に対応する変化量の大きさを示した。なお、実数値変化量を算出するための負極インピーダンス値の間隔は、渦巻き形状の楕円の大きさを考慮し最小実数値変化量が楕円の大きさを表せる間隔設定すれば良い。 In the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the difference between the real value components between the adjacent negative electrode impedance values on the Nyquist diagram shown in FIG. 6 is calculated as the real value change amount, and the real value is calculated. Find the minimum real value change that minimizes the change. If there is a spiral shape, the minimum real value change amount becomes a negative value, and the larger the elliptical portion of the spiral shape, the smaller the minimum real value change amount. In FIG. 5, the magnitude of the amount of change corresponding to the measurement signal of 1 Hz and the amount of change corresponding to the measurement signal of 800 MHz among the differences in the real value components between the negative electrode impedance values are shown. The interval between the negative electrode impedance values for calculating the real value change amount may be set so that the minimum real value change amount can represent the size of the ellipse in consideration of the size of the spiral ellipse.
ここで、測定信号の周波数に対する実数値変化量の違いについて説明する。図6に負極インピーダンス値の間の実数値変化量の周波数に対する変化を示すグラフを示す。図6に示すように、負極インピーダンス値の間の変化量は周波数により増加したり、減少したりする。また、Coイオンの添加がある場合と、Coイオンの添加がない場合と、を比較すると実数値変化量の最小値に違いがある。以下の説明では、負極インピーダンス値の実数値変化量の最小値を最小実数値変化量と称す。 Here, the difference in the amount of change in the real value with respect to the frequency of the measurement signal will be described. FIG. 6 shows a graph showing the change of the real value change amount between the negative electrode impedance values with respect to the frequency. As shown in FIG. 6, the amount of change between the negative electrode impedance values increases or decreases depending on the frequency. Further, when comparing the case where Co ions are added and the case where Co ions are not added, there is a difference in the minimum value of the real value change amount. In the following description, the minimum value of the real value change amount of the negative electrode impedance value is referred to as the minimum real value change amount.
このように最小実数値変化量はCoイオン濃度の違いにて値が変化する。そこで、図7にCoイオン濃度と最小実数値変化量との関係を示すグラフを示す。図7に示すように、最小実数値変化量とCoイオン濃度との間には一定の関係を有する。具体的には、Coイオン濃度が上昇すると最小実数値変化量が小さくなる傾向がある。特にCoイオン濃度が一定の濃度以上となると最小実数値変化量の値の低下は顕著になる。例えば、図7の例では、Coイオン濃度が10mM以上の濃度となると最小実数値変化量の減少が顕著になる。実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、この図7のCoイオン濃度と最小実数値変化量との関係を示すグラフを参照してCoイオン濃度を算出する。また、Coイオン濃度と実数値変化量との関係を示すグラフは、事前に評価サンプルを評価することで生成されるものである。 In this way, the minimum real value change amount changes depending on the difference in Co ion concentration. Therefore, FIG. 7 shows a graph showing the relationship between the Co ion concentration and the minimum real value change amount. As shown in FIG. 7, there is a certain relationship between the minimum real value change amount and the Co ion concentration. Specifically, as the Co ion concentration increases, the minimum real value change tends to decrease. In particular, when the Co ion concentration exceeds a certain concentration, the decrease in the minimum real value change amount becomes remarkable. For example, in the example of FIG. 7, when the Co ion concentration is 10 mM or more, the decrease in the minimum real value change amount becomes remarkable. In the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the Co ion concentration is calculated with reference to the graph showing the relationship between the Co ion concentration in FIG. 7 and the minimum real value change amount. Further, the graph showing the relationship between the Co ion concentration and the amount of change in the real value is generated by evaluating the evaluation sample in advance.
続いて、Coイオン濃度と二次電池の余寿命との関係について説明する。そこで、二次電池の余寿命とCoイオン濃度との関係を示すグラフを図8に示す。図8に示すように、Coイオン濃度と二次電池の余寿命との間には、一定の関係があることが分かる。具体的には、Coイオン濃度が高くなるに従って二次電池の余寿命は少なくなる。実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法により推定されたCoイオン濃度と図8に示したグラフとを用いることで二次電池の余寿命を考慮した二次電池の良品・不良品判定を行うことができる。図8に示す二次電池の余寿命とCoイオン濃度との関係を示すグラフは、事前に評価サンプルを評価することで生成されるものである。 Next, the relationship between the Co ion concentration and the remaining life of the secondary battery will be described. Therefore, FIG. 8 shows a graph showing the relationship between the remaining life of the secondary battery and the Co ion concentration. As shown in FIG. 8, it can be seen that there is a certain relationship between the Co ion concentration and the remaining life of the secondary battery. Specifically, as the Co ion concentration increases, the remaining life of the secondary battery decreases. By using the Co ion concentration estimated by the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment and the graph shown in FIG. 8, a good product or a defective product of the secondary battery in consideration of the remaining life of the secondary battery. Judgment can be made. The graph showing the relationship between the remaining life of the secondary battery and the Co ion concentration shown in FIG. 8 is generated by evaluating the evaluation sample in advance.
上述したように、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、電池セル20の負極インピーダンス値を測定し、負極インピーダンス値を用いてナイキスト線図を生成し、負極インピーダンス値の間の実数値変化量の最小値(最小実数値変化量)を求め、最小実数値変化量に対応するCoイオン濃度を算出し、算出したCoイオン濃度に基づき二次電池の寿命を推定する。しかしながら、負極インピーダンス値には温度特性がある。そのため、負極インピーダンス値を測定する際には、測定対象とする二次電池の温度を一定に揃えることが好ましい。
As described above, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the negative electrode impedance value of the
そこで、二次電池の負極インピーダンス値の温度特性について説明する。図9に負極インピーダンスのナイキスト線図の温度による違いを説明する図を示す。 Therefore, the temperature characteristics of the negative electrode impedance value of the secondary battery will be described. FIG. 9 shows a diagram illustrating the difference in negative electrode impedance depending on the temperature in the Nyquist diagram.
図9に示す例では、二次電池を45℃にしたときのナイキスト線図を上図に示し、二次電池を25℃にしたときのナイキスト線図を下図に示した。図9に示すように、二次電池の温度が45℃のときは25℃のときに比べてナイキスト線図の渦巻き形状となっている部分の大きさが大きくなる。つまり、二次電池を25℃としたときよりも45℃としたときの方が、実数値変化量を大きく測定することができ、最小実数値変化量を精度良く求めることができる。また、最小実数値変化量の精度が高くなることで寿命推定精度も高めることができる。 In the example shown in FIG. 9, the Nyquist diagram when the secondary battery is at 45 ° C. is shown in the upper figure, and the Nyquist diagram when the secondary battery is at 25 ° C. is shown in the lower figure. As shown in FIG. 9, when the temperature of the secondary battery is 45 ° C., the size of the spiral-shaped portion of the Nyquist diagram is larger than that at 25 ° C. That is, the amount of change in real value can be measured larger and the minimum amount of change in real value can be obtained more accurately when the temperature of the secondary battery is 45 ° C than when the temperature is 25 ° C. In addition, the life estimation accuracy can be improved by increasing the accuracy of the minimum real value change amount.
続いて、実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1を用いたイオン濃度推定手順について説明する。図10に実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法の流れを説明するフローチャートを示す。
Subsequently, the ion concentration estimation procedure using the ion
図10に示すように、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、電池の温度を予め設定温度とする温度調整処理を行う(ステップS0)。温度調節処理は、例えば、電池セル20を恒温槽に一定時間入れる、電池セル20をヒータで暖める等の工程により行われる。次いで、実施の形態1では、電池セル20の充電率を予め設定した充電率に調整するSOC調整処理を行う(ステップS1)。SOC調整処理では、測定制御部11がSOC調整器33に充電率調整指示を与えることで行う。
As shown in FIG. 10, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, a temperature adjustment process is performed in which the temperature of the battery is set to a preset temperature (step S0). The temperature control process is performed, for example, by putting the
次いで、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、負極インピーダンス値の測定を行う(ステップS2)。この負極インピーダンス値の測定では、測定制御部11が負極インピーダンス測定器31に測定指示を与える。負極インピーダンス測定器31は、測定指示に従って測定信号の周波数を切り替えながら電池セル20の負極インピーダンス値を測定する。この測定結果は、負極インピーダンス測定器31内に一端保存され、一括して測定値取得部12が読み出しても良く、1回の測定毎に測定値取得部12が読み出しても良い。また、ステップS2では、測定値取得部12が測定された負極インピーダンス値を用いてナイキスト線図を生成する。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the negative electrode impedance value is measured (step S2). In the measurement of the negative electrode impedance value, the
次いで、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、演算部13によりナイキスト線図上の隣り合う2つの負極インピーダンス値の間の実数値変化量を算出する(ステップS3)。そして、演算部13は、ステップS3で算出した実数値変化量の最小値を算出する(ステップS4)。このステップS4で算出された最小値が最小実数値変化量となる。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the
次いで、実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、ステップS4で算出された最小実数値変化量に対応するCoイオン濃度を算出する(ステップS5)。そして、算出されたCoイオン濃度と予め設定した閾値とを比較する(ステップS6)。ステップS6の比較処理において、Coイオン濃度が閾値以下と判断された場合、演算部13は検査対象の電池セル20を良品と判定して処理を終了する(ステップS8)。一方、ステップS6の比較処理において、Coイオン濃度が閾値よりも大きいと判断された場合、演算部13は検査対象の電池セル20を不良品と判定して処理を終了する(ステップS7)。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the first embodiment, the Co ion concentration corresponding to the minimum real value change amount calculated in step S4 is calculated (step S5). Then, the calculated Co ion concentration is compared with the preset threshold value (step S6). When it is determined in the comparison process of step S6 that the Co ion concentration is equal to or less than the threshold value, the
なお、図10に示したフローチャートでは、電池セル20の良品判定(ステップS6〜S8)の処理を記載したが、ステップS5のCoイオン濃度の推定処理までの処理で処理を終了することも可能である。 In the flowchart shown in FIG. 10, the process of determining the non-defective product of the battery cell 20 (steps S6 to S8) is described, but the process can be completed by the process up to the estimation process of the Co ion concentration in step S5. is there.
上記説明より、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法では、測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら負極インピーダンス値を測定し、ナイキスト線図上の2つの負極インピーダンス値の間の実数値成分の差のうち最小となる最小実数値変化量を算出する。そして、最小実数値変化量に対応するCoイオン濃度をイオン濃度推定情報(例えば、図7に示したグラフ)を参照して推定する。 From the above description, in the ion concentration estimation method according to the first embodiment, the negative electrode impedance value is measured while switching the frequency of the measurement signal at a predetermined frequency interval, and the real value between the two negative electrode impedance values on the Nyquist diagram. Calculate the minimum real value change amount that is the smallest of the component differences. Then, the Co ion concentration corresponding to the minimum real value change amount is estimated with reference to the ion concentration estimation information (for example, the graph shown in FIG. 7).
これにより、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法では、電池セル20の電解液中のCoイオン濃度を推定することができる。また、Coイオン濃度と電池セル20の寿命との間には図8に示したような関係があるため、この関係に基づき良品と判定できるCoイオン濃度を求め、求めたCoイオン濃度を閾値とすることで、測定した負極インピーダンス値から算出したCoイオン濃度に基づき電池セル20の寿命を考慮した良品判定を行うことができる。
Thereby, in the ion concentration estimation method according to the first embodiment, the Co ion concentration in the electrolytic solution of the
また、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法を実現するイオン濃度推定装置1(又はイオン濃度推定装置2)は、自動車等に搭載されるECU等の演算機能を利用して実現できるものである。また、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法は、電池セル20を破壊することなくCoイオン濃度を算出できる。このようなことから、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法では、例えば、ハイブリッド自動車等に搭載される二次電池に対して、自動車を利用しながら二次電池の寿命を考慮した良品判定を行うことができる。
Further, the ion concentration estimation device 1 (or the ion concentration estimation device 2) that realizes the ion concentration estimation method according to the first embodiment can be realized by using a calculation function of an ECU or the like mounted on an automobile or the like. .. Further, the ion concentration estimation method according to the first embodiment can calculate the Co ion concentration without destroying the
実施の形態2
実施の形態2では、イオン濃度推定方法の別の態様について説明する。実施の形態2にかかるイオン濃度推定方法では、遷移周波数領域における二次電池の正極と負極との間の電池インピーダンス値に基づき二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する。発明者らは、電解液中の酸化還元物質のイオン濃度との相関が、電池インピーダンスのうち、遷移周波数領域にのみ表れることを見出し、本発明に至った。図11に実施の形態2にかかるイオン濃度推定装置3のブロック図を示す。なお、実施の形態2の説明において、実施の形態1で説明した構成要素と同じ構成要素については実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略する。
In the second embodiment, another aspect of the ion concentration estimation method will be described. In the ion concentration estimation method according to the second embodiment, the ion concentration of the oxidation-reducing substance in the electrolytic solution of the secondary battery is estimated based on the battery impedance value between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery in the transition frequency region. The inventors have found that the correlation with the ion concentration of the redox substance in the electrolytic solution appears only in the transition frequency region of the battery impedance, leading to the present invention. FIG. 11 shows a block diagram of the ion
図11に示すように、実施の形態2にかかるイオン濃度推定装置3は、電池セル60を測定対象とするものである。実施の形態2にかかるイオン濃度推定方法では、正極と負極との間の電池インピーダンス値を測定するため、電池セル60に参照電極は必要ない。そのため、図11に示す例では、電池セル60は正極21と負極22のみを有する。
As shown in FIG. 11, the ion
実施の形態2にかかるイオン濃度推定装置3は、イオン濃度算出装置50、電池インピーダンス測定器71、SOC調整器33を有する。
The ion
電池インピーダンス測定器71は、測定信号として交流信号を出力し、この交流信号の周波数を切り替えながら周波数毎に電池セル20の正極21と負極22との間のインピーダンス(以下、電池インピーダンスと称す)を測定する。電池インピーダンス測定器71は、例えば、電極の周波数応答を解析する周波数応答解析装置である。
The battery
SOC調整器33は、電池セル20の負極インピーダンスを測定する前に電池セル60の充電率(SOC:State Of Charge)が所定の充電率となるように調節する。
The
イオン濃度算出装置50は、例えば、コンピュータ等の演算装置であり、プログラムを実行する演算部や、電池インピーダンス測定器71、SOC調整器33等を制御するための各種インタフェース、プログラム及び評価結果を格納する記憶装置(不図示)を有する。イオン濃度算出装置50は、電池インピーダンス測定器71で測定された測定値に基づき電池セル60の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する。イオン濃度算出装置50は、測定制御部51、測定値取得部52、演算部53、メモリ54を有する。
The ion
測定制御部51は、予め決められた手順で電池インピーダンス測定器71及びSOC調整器33を制御する。例えば、測定制御部51は、SOC調整器33が電池セル20の充電率を調整するタイミング、及び、電池インピーダンス測定器71が測定信号を出力して電池セル60からインピーダンス値を得るタイミングを制御する。
The measurement control unit 51 controls the battery
測定値取得部52は、電池インピーダンス測定器71で測定された電池インピーダンス値を取り込み、取り込んだ電池インピーダンス値を用いてナイキスト線図を生成する。ナイキスト線図は、インピーダンス値の変化を複素平面上にプロットしたナイキスト線図(コールコールプロット)である。
The measurement
演算部63は、例えば、メモリ64等の記憶装置に格納されたプログラムを実行するプログラム実行部である。演算部63は、測定値に基づき電池寿命を推定する。具体的には、演算部53は、測定値取得部52で生成されたナイキスト線図に対して解析を行い、電池セル60の電解液中のイオン濃度を推定する。演算部53は、ナイキスト線図に対する解析処理においては、実施の形態2では、2つの処理を行う。第1の処理では、ナイキスト線図上の遷移周波数領域にある予め決められた隣り合う電池インピーダンス値の実数値成分の差、又は、虚数値成分の差をそれぞれ実数値変化量、又は、虚数値変化量として算出する。第2の処理では、実数値変化量又は虚数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示し、かつ、予め準備されたイオン濃度推定情報を参照して実数値変化量又は虚数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する。
The calculation unit 63 is, for example, a program execution unit that executes a program stored in a storage device such as a memory 64. The calculation unit 63 estimates the battery life based on the measured value. Specifically, the
メモリ54は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。メモリ54には、イオン濃度推定情報が格納される。実施の形態2では、イオン濃度推定情報として図16又は図17のCoイオン濃度と虚数値変化量との関係を示すグラフが含まれる。イオン濃度推定情報は、グラフ作成用の電池サンプルを測定することで事前に作成されるものである。なお、イオン濃度推定情報は、グラフ情報に限られず、解析に用いる2つの値の対応関係がわかるテーブル、或いは、数式であっても良い。
The
なお、実施の形態2においても実施の形態1と同様に、測定対象を複数の電池セル60を直列に接続した電池モジュールとすることもできる。
In the second embodiment as well, as in the first embodiment, the measurement target may be a battery module in which a plurality of
実施の形態2では、ナイキスト線図上の遷移周波数領域のインピーダンス値に着目した解析を行う。そこで、この遷移周波数領域について説明する。実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、特に、10mHzから10Hzの範囲で生じる遷移周波数領域のナイキスト線図の変化に着目する。 In the second embodiment, the analysis focusing on the impedance value in the transition frequency region on the Nyquist diagram is performed. Therefore, this transition frequency region will be described. In the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment, attention is paid particularly to the change in the Nyquist diagram in the transition frequency region occurring in the range of 10 MHz to 10 Hz.
実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法で着目する遷移周波数領域を説明する図を図12に示す。図12では、より遷移周波数領域が明確となる負極インピーダンスに関するナイキスト線図の遷移周波数領域を示した。図12に示すように、ナイキスト線図は、電池セル20の容量成分に起因して生じる円弧スペクトルと一定値以上の相関関係を有する領域と、電池セル20の拡散成分に起因して生じる直線スペクトルと一定値以上(例えば、相関係数が0.99以上)の相関関係を有する領域と、円弧スペクトルと直線スペクトルのいずれとも相関関係が一定値以上乖離する領域を有する。実施の形態1にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、円弧スペクトルとの相関値が一定値以上乖離する負極インピーダンス値の周波数から直線スペクトルとの相関値が一定値以上近づく負極インピーダンス値の周波数までを遷移周波数領域と定義する。
FIG. 12 shows a diagram illustrating a transition frequency region of interest in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment. In FIG. 12, the transition frequency region of the Nyquist diagram relating to the negative electrode impedance at which the transition frequency region becomes clearer is shown. As shown in FIG. 12, the Nyquist diagram shows a region having a correlation of a certain value or more with the arc spectrum generated due to the capacitance component of the
ここで、電池インピーダンス値とCoイオン濃度との関係について詳細に説明する。実施の形態2にかかるイオン濃度推定方法では、ナイキスト線図上の予め決められた隣り合う2点間の実数値成分の差又は虚数値成分の差に基づきイオン濃度の推定を行う。以下では、一例として、遷移周波数領域に含まれる100mHzと80mHzの測定信号により得られたインピーダンス値を評価対象とする例について説明する。 Here, the relationship between the battery impedance value and the Co ion concentration will be described in detail. In the ion concentration estimation method according to the second embodiment, the ion concentration is estimated based on the difference in the real value component or the difference in the imaginary value component between two predetermined adjacent points on the Nyquist diagram. In the following, as an example, an example in which the impedance values obtained from the measurement signals of 100 MHz and 80 MHz included in the transition frequency region are evaluated will be described.
電池インピーダンス値は、負極インピーダンス値の影響と正極インピーダンス値の影響とを受ける。そこで、負極インピーダンス値と正極インピーダンス値のそれぞれの特性について説明する。負極インピーダンス値は、実施の形態1で説明した特性と同じである。 The battery impedance value is affected by the negative electrode impedance value and the positive electrode impedance value. Therefore, the characteristics of the negative electrode impedance value and the positive electrode impedance value will be described. The negative electrode impedance value is the same as the characteristics described in the first embodiment.
図13に負極インピーダンス値とCoイオン濃度との関係を説明するグラフを示す。図13では、上図に印加周波数100mHzの実数値成分と印加周波数80mHzの実数値成分との差とCoイオン濃度との関係を示すグラフを示し、下図に上図に印加周波数100mHzの虚数値成分と印加周波数80mHzの虚数値成分との差とCoイオン濃度との関係を示すグラフを示した。 FIG. 13 shows a graph for explaining the relationship between the negative electrode impedance value and the Co ion concentration. In FIG. 13, the upper figure shows a graph showing the relationship between the difference between the real value component of the applied frequency of 100 MHz and the real value component of the applied frequency of 80 MHz and the Co ion concentration, and the lower figure shows the imaginary value component of the applied frequency of 100 MHz. A graph showing the relationship between the difference between the above and the imaginary value component at the applied frequency of 80 MHz and the Co ion concentration is shown.
図13に示すように、負極インピーダンス値においては、実数値成分の変化量はCoイオン濃度の変化の影響を受けづらく、虚数値成分の変化量はCoイオン濃度の変化の影響を受けやすい。さらに、虚数値成分の変化量は、Coイオン濃度が高くなるに従って小さくなる傾向がある。 As shown in FIG. 13, in the negative electrode impedance value, the amount of change in the real value component is not easily affected by the change in the Co ion concentration, and the amount of change in the imaginary value component is easily affected by the change in the Co ion concentration. Furthermore, the amount of change in the imaginary value component tends to decrease as the Co ion concentration increases.
続いて、正極インピーダンス値の特性について説明する。図14に正極インピーダンスのナイキスト線図のCoイオンの有無による違いを説明する図を示す。図14では、上図にCoイオンの添加を行わない状態の正極インピーダンスのナイキスト線図を示し、下図にCoイオンを添加した場合の正極インピーダンスのナイキスト線図を示した。 Subsequently, the characteristics of the positive electrode impedance value will be described. FIG. 14 shows a diagram for explaining the difference between the positive electrode impedance and the Nyquist diagram with and without Co ions. In FIG. 14, the upper figure shows a Nyquist diagram of the positive electrode impedance in a state where Co ions are not added, and the lower figure shows a Nyquist diagram of the positive electrode impedance when Co ions are added.
図14に示すように、正極インピーダンスにおいては、負極インピーダンスのような巻形状のナイキスト線図波形は現れない。しかしながら、正極インピーダンスのナイキスト線図においても、Coイオンの添加の有無により波形に違いが生じる。 As shown in FIG. 14, in the positive electrode impedance, a winding Nyquist diagram waveform like the negative electrode impedance does not appear. However, even in the Nyquist diagram of the positive electrode impedance, the waveform differs depending on the presence or absence of the addition of Co ions.
そこで、図15に正極インピーダンス値とCoイオン濃度との関係を説明するグラフを示す。図15では、上図に印加周波数100mHzの実数値成分と印加周波数80mHzの実数値成分との差とCoイオン濃度との関係を示すグラフを示し、下図に上図に印加周波数100mHzの虚数値成分と印加周波数80mHzの虚数値成分との差とCoイオン濃度との関係を示すグラフを示した。 Therefore, FIG. 15 shows a graph for explaining the relationship between the positive electrode impedance value and the Co ion concentration. In FIG. 15, the upper figure shows a graph showing the relationship between the difference between the real value component of the applied frequency of 100 MHz and the real value component of the applied frequency of 80 MHz and the Co ion concentration, and the lower figure shows the imaginary value component of the applied frequency of 100 MHz. A graph showing the relationship between the difference between the above and the imaginary value component at the applied frequency of 80 MHz and the Co ion concentration is shown.
図15に示すように、正極インピーダンス値においては、虚数値成分の変化量はCoイオン濃度の変化の影響を受けづらく、実数値成分の変化量はCoイオン濃度の変化の影響を受けやすい。さらに、実数値成分の変化量は、Coイオン濃度が高くなるに従って大きくなる傾向がある。 As shown in FIG. 15, in the positive electrode impedance value, the amount of change in the imaginary value component is not easily affected by the change in Co ion concentration, and the amount of change in the real value component is easily affected by the change in Co ion concentration. Furthermore, the amount of change in the real value component tends to increase as the Co ion concentration increases.
続いて、電池インピーダンス値について説明する。図16に電池インピーダンス値とCoイオン濃度との関係を説明するグラフを示す。図16では、上図に、電池インピーダンス値のうち100mHzと80mHzの測定信号により取得された電池インピーダンス値の間の実数値変化量とCoイオン濃度とのグラフを示し、下図に、電池インピーダンス値のうち100mHzと80mHzの測定信号により取得された電池インピーダンス値の間の虚数値変化量とCoイオン濃度とのグラフを示した。 Subsequently, the battery impedance value will be described. FIG. 16 shows a graph for explaining the relationship between the battery impedance value and the Co ion concentration. In FIG. 16, the upper figure shows a graph of the real value change amount and the Co ion concentration between the battery impedance values acquired by the measurement signals of 100 MHz and 80 MHz among the battery impedance values, and the lower figure shows the battery impedance values. A graph showing the amount of imaginary value change between the battery impedance values acquired by the measurement signals of 100 MHz and 80 MHz and the Co ion concentration is shown.
図16に示すように、電池インピーダンス値の所定の2点間の変化量で見た場合、実数値変化量と虚数値変化量とのいずれに対してもCoイオン濃度との間に一定の関係があることがわかる。実施の形態2にかかるイオン濃度推定方法では、この2点間のインピーダンス変化量に基づきイオン濃度の推定を行う。 As shown in FIG. 16, when viewed as the amount of change between two predetermined points of the battery impedance value, there is a constant relationship between the Co ion concentration and the amount of change in the real value and the amount of change in the imaginary value. It turns out that there is. In the ion concentration estimation method according to the second embodiment, the ion concentration is estimated based on the amount of impedance change between the two points.
なお、インピーダンスに代えて、測定した電池インピーダンス値から電池アドミッタンス値を算出して、電池アドミッタンス値に基づきCoイオン濃度を推定することもできる。そこで、図16の電池インピーダンス値の虚数値成分をアドミッタンス値に変換した場合の電池アドミッタンス値とCoイオン濃度との関係を説明するグラフを図17に示す。図17に示すように、電池アドミッタンス値とCoイオン濃度との関係を見ると測定値が拡大されたようなグラフを得ることができる。そのため、電池アドミッタンス値に基づきCoイオン濃度を推定することで、より精度の高いCoイオン濃度の推定が可能になる。また、アドミッタンス値によるCoイオン濃度の推定は、実施の形態1にかかるイオン濃度推定方法にも適用可能である。 Instead of impedance, the battery admittance value can be calculated from the measured battery impedance value, and the Co ion concentration can be estimated based on the battery admittance value. Therefore, FIG. 17 shows a graph for explaining the relationship between the battery admittance value and the Co ion concentration when the imaginary value component of the battery impedance value of FIG. 16 is converted into an admittance value. As shown in FIG. 17, by looking at the relationship between the battery admittance value and the Co ion concentration, it is possible to obtain a graph in which the measured value is enlarged. Therefore, by estimating the Co ion concentration based on the battery admittance value, it is possible to estimate the Co ion concentration with higher accuracy. Further, the estimation of the Co ion concentration based on the admittance value can also be applied to the ion concentration estimation method according to the first embodiment.
続いて、実施の形態1にかかるイオン濃度推定装置1を用いたイオン濃度推定手順について説明する。図18に実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法の流れを説明するフローチャートを示す。
Subsequently, the ion concentration estimation procedure using the ion
図18に示すように、実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、電池の温度を予め設定温度とする温度調整処理を行う(ステップS10)。温度調節処理は、例えば、電池セル60を恒温槽に一定時間入れる、電池セル20をヒータで暖める等の工程により行われる。次いで、実施の形態2では、電池セル60の充電率を予め設定した充電率に調整するSOC調整処理を行う(ステップS11)。SOC調整処理では、測定制御部51がSOC調整器33に充電率調整指示を与えることで行う。
As shown in FIG. 18, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment, a temperature adjustment process is performed in which the temperature of the battery is set to a preset temperature (step S10). The temperature control process is performed, for example, by putting the
次いで、実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、電池インピーダンス値の測定を行う(ステップS12)。この電池インピーダンス値の測定では、測定制御部51が電池インピーダンス測定器71に測定指示を与える。電池インピーダンス測定器71は、測定指示に従って測定信号の周波数を切り替えながら電池セル60の電池インピーダンス値を測定する。この測定結果は、電池インピーダンス測定器71内に一端保存され、一括して測定値取得部52が読み出しても良く、1回の測定毎に測定値取得部52が読み出しても良い。また、ステップS12では、測定値取得部52が測定された電池インピーダンス値を用いてナイキスト線図を生成する。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment, the battery impedance value is measured (step S12). In the measurement of the battery impedance value, the measurement control unit 51 gives a measurement instruction to the battery
次いで、実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、演算部53により10Hz以下の遷移周波数領域における隣り合う2点間(例えば、100mHzと80mHzの測定信号に対応する電池インピーダンス値)の実数値変化量及び虚数値変化量を算出する(ステップS13)。そして、演算部53は、ステップS13で算出した実数値変化量に対応するCoイオン濃度を図16に示したグラフを参照して算出する(ステップS14)。また、演算部53は、ステップS13で算出した虚数値変化量に対応するCoイオン濃度を図16に示したグラフを参照して算出する(ステップS15)。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment, the
次いで、実施の形態2にかかる二次電池のイオン濃度推定方法では、ステップS14又はステップS15で算出されたCoイオン濃度と予め設定した閾値とを比較する(ステップS16)。ステップS16の比較処理において、Coイオン濃度が閾値以下と判断された場合、演算部53は検査対象の電池セル60を良品と判定して処理を終了する(ステップS18)。一方、ステップS16の比較処理において、Coイオン濃度が閾値よりも大きいと判断された場合、演算部53は検査対象の電池セル60を不良品と判定して処理を終了する(ステップS17)。
Next, in the method for estimating the ion concentration of the secondary battery according to the second embodiment, the Co ion concentration calculated in step S14 or step S15 is compared with the preset threshold value (step S16). When it is determined in the comparison process of step S16 that the Co ion concentration is equal to or less than the threshold value, the
なお、電池セル60の電池インピーダンス特性が図16に示すような特性であった場合、ステップS16の判断処理では、虚数値変化量とCoイオン濃度との関係から導き出されたCoイオン濃度を利用することが好ましい。これはCoイオン濃度に対する変化が虚数値変化量の方が大きいためである。Coイオン濃度に対する変化が大きい成分を利用した方がCoイオン濃度の推定精度が向上するためである。
When the battery impedance characteristic of the
上記説明より、実施の形態2にかかるイオン濃度推定方法では、測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら電池インピーダンス値を測定し、予め決められた隣り合う2点間の実数値変化量及び虚数値変化量の少なくとも一方を算出する。そして、実数値変化量又は虚数値変化量に対応するCoイオン濃度をイオン濃度推定情報(例えば、図16に示したグラフ)を参照して推定する。 From the above description, in the ion concentration estimation method according to the second embodiment, the battery impedance value is measured while switching the frequency of the measurement signal at a predetermined frequency interval, and a predetermined real value change amount between two adjacent points and a predetermined real value change amount. Calculate at least one of the imaginary value changes. Then, the Co ion concentration corresponding to the real value change amount or the imaginary value change amount is estimated with reference to the ion concentration estimation information (for example, the graph shown in FIG. 16).
実施の形態2では、電池セル60の正極と負極との間で測定される電池インピーダンス値に基づきCoイオン濃度を推定する。これにより、実施の形態2では、電池セル60に参照電極を設ける必要がないという効果を奏する。
In the second embodiment, the Co ion concentration is estimated based on the battery impedance value measured between the positive electrode and the negative electrode of the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記実施の形態では、ニッケル水素電池を例にとり、酸化還元物質がコバルト(Co)である場合について説明した。しかし、酸化還元物質はこれに限られるわけではなく、正極と負極の両方で反応する物質であれば、本発明を適用可能である。例えば、リチウムイオン蓄電池の場合は、酸化還元物質として鉄(Fe)等が挙げられる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified without departing from the spirit. In the above embodiment, the case where the redox substance is cobalt (Co) has been described by taking a nickel hydrogen battery as an example. However, the redox substance is not limited to this, and the present invention can be applied as long as it is a substance that reacts at both the positive electrode and the negative electrode. For example, in the case of a lithium ion storage battery, iron (Fe) and the like can be mentioned as the redox substance.
1 イオン濃度推定装置
2 イオン濃度推定装置
3 イオン濃度推定装置
10 イオン濃度算出装置
11 測定制御部
12 測定値取得部
13 演算部
14 メモリ
20 電池セル
21 正極
22 負極
23 参照電極
31 負極インピーダンス測定器
32 負極インピーダンス測定器
33 SOC調整器
40 電池モジュール
41 正極
42 負極
50 イオン濃度算出装置
51 測定制御部
52 測定値取得部
53 演算部
54 メモリ
60 電池セル
71 電池インピーダンス測定器
1 Ion
Claims (16)
測定信号の周波数を所定の間隔で切り替えながら前記二次電池に与えて、前記二次電池の負極インピーダンス値を測定する負極インピーダンス測定器と、
前記負極インピーダンス値に基づき前記二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する演算部と、を有するイオン濃度推定装置を用いて二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する二次電池のイオン濃度推定方法であって、
所定の充電率になるように調整した二次電池から取得した複数の前記負極インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図を参照し、
予め準備され、前記ナイキスト線図の渦巻き形状部分の大きさと酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記渦巻き形状部分の大きさに対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する二次電池のイオン濃度推定方法。 A charge rate regulator that adjusts the charge rate of the secondary battery,
A negative electrode impedance measuring device that measures the negative electrode impedance value of the secondary battery by giving the frequency of the measurement signal to the secondary battery while switching the frequency at predetermined intervals.
The ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery is estimated using an ion concentration estimation device having a calculation unit for estimating the ion concentration of the redox substance in the electrolytic solution of the secondary battery based on the negative electrode impedance value. It is a method for estimating the ion concentration of a secondary battery.
Refer to the Nyquist diagram generated using the plurality of negative electrode impedance values obtained from the secondary battery adjusted to a predetermined charge rate.
The redox substance ion concentration corresponding to the size of the spiral-shaped portion is determined by referring to the ion concentration estimation information prepared in advance and showing the correspondence between the size of the spiral-shaped portion and the redox substance ion concentration in the Nyquist diagram. A method for estimating the ion concentration of a secondary battery to be calculated.
前記イオン濃度推定情報は、前記最小実数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示す請求項1に記載の二次電池のイオン濃度推定方法。 The size of the spiral-shaped portion is determined based on the minimum real value change amount, which is the smallest of the differences between the real value components of the two negative electrode impedance values on the Nyquist diagram.
The ion concentration estimation method for a secondary battery according to claim 1, wherein the ion concentration estimation information indicates a correspondence between the minimum real value change amount and a redox substance ion concentration.
前記イオン濃度推定情報は、前記最小実数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示す請求項1に記載の二次電池のイオン濃度推定方法。 The size of the spiral-shaped portion is determined based on the minimum real value change amount, which is the smallest of the differences between the real value components of the two adjacent negative electrode impedance values on the Nyquist diagram.
The ion concentration estimation method for a secondary battery according to claim 1, wherein the ion concentration estimation information indicates a correspondence between the minimum real value change amount and a redox substance ion concentration.
二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、
測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら測定信号を前記二次電池に出力し、前記二次電池の負極の負極インピーダンス値を前記測定信号の周波数毎に測定する負極インピーダンス測定器と、
測定された複数の前記負極インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図に基づき前記二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する演算部と、を有し、
前記演算部は、
前記ナイキスト線図の渦巻き形状部分の大きさと酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記渦巻き形状部分の大きさに対応する酸化還元物質イオン濃度を算出するイオン濃度推定装置。 It is an ion concentration estimation device that estimates the ion concentration of redox substances in the electrolytic solution of a secondary battery.
A charge rate regulator that adjusts the charge rate of the secondary battery,
A negative electrode impedance measuring device that outputs a measurement signal to the secondary battery while switching the frequency of the measurement signal at predetermined frequency intervals and measures the negative electrode impedance value of the negative electrode of the secondary battery for each frequency of the measurement signal.
It has a calculation unit for estimating the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery based on the Nyquist diagram generated by using the plurality of measured negative electrode impedance values.
The calculation unit
The ion concentration for calculating the redox substance ion concentration corresponding to the size of the spiral-shaped portion by referring to the ion concentration estimation information showing the correspondence between the size of the spiral-shaped portion and the redox substance ion concentration in the Nyquist diagram. Estimator.
測定信号の周波数を所定の間隔で切り替えながら前記二次電池に与えて、前記二次電池の正極と負極との間の電池インピーダンス値を測定する電池インピーダンス測定器と、
前記電池インピーダンス値に基づき前記二次電池の電解液中の酸化還元物質のイオン濃度を推定する演算部と、を有するイオン濃度推定装置を用いて二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する二次電池のイオン濃度推定方法であって、
所定の充電率になるように調整した前記二次電池から取得した複数の前記電池インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図を参照し、
前記ナイキスト線図のうち遷移周波数領域の前記ナイキスト線図上の予め決められた2つの前記電池インピーダンス値の間の実数値成分の差、又は、虚数値成分の差をそれぞれ実数値変化量、又は、虚数値変化量として算出し、
予め準備され、前記実数値変化量又は前記虚数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記実数値変化量又は前記虚数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する二次電池のイオン濃度推定方法。 A charge rate regulator that adjusts the charge rate of the secondary battery,
A battery impedance measuring device that applies the frequency of the measurement signal to the secondary battery while switching the frequency at predetermined intervals and measures the battery impedance value between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery.
The ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery is estimated using an ion concentration estimation device having a calculation unit for estimating the ion concentration of the redox substance in the electrolytic solution of the secondary battery based on the battery impedance value. It is a method for estimating the ion concentration of a secondary battery.
Refer to the Nyquist diagram generated using the plurality of battery impedance values obtained from the secondary battery adjusted to a predetermined charge rate.
In the Nyquist diagram, the difference between the real value components or the difference between the imaginary value components between the two predetermined battery impedance values on the Nyquist diagram in the transition frequency region is the amount of change in the real value or the difference between the imaginary value components, respectively. , Calculated as the amount of imaginary value change,
Oxidation corresponding to the real value change amount or the imaginary value change amount with reference to the ion concentration estimation information prepared in advance and showing the correspondence between the real value change amount or the imaginary value change amount and the oxidation-reducing substance ion concentration. A method for estimating the ion concentration of a secondary battery for calculating the ion concentration of a reducing substance.
前記二次電池の充電率を調整する充電率調整器と、
測定信号の周波数を所定の周波数間隔で切り替えながら測定信号を前記二次電池に出力し、前記二次電池の正極と負極との間の電池インピーダンス値を前記測定信号の周波数毎に測定する電池インピーダンス測定器と、
測定された複数の前記電池インピーダンス値を用いて生成されたナイキスト線図に基づき前記二次電池の電解液中のイオン濃度を推定する演算部と、を有し、
前記演算部は、
前記ナイキスト線図のうち遷移周波数領域の前記ナイキスト線図上の予め決められた2つの前記電池インピーダンス値の間の実数値成分の差、又は、虚数値成分の差をそれぞれ実数値変化量、又は、虚数値変化量として算出し、
予め準備され、前記実数値変化量又は前記虚数値変化量と酸化還元物質イオン濃度との対応を示したイオン濃度推定情報を参照して前記実数値変化量又は前記虚数値変化量に対応する酸化還元物質イオン濃度を算出する二次電池のイオン濃度推定装置。 An ion concentration estimation device that estimates the ion concentration in the electrolyte of a secondary battery.
A charge rate regulator that adjusts the charge rate of the secondary battery,
The measurement signal is output to the secondary battery while switching the frequency of the measurement signal at predetermined frequency intervals, and the battery impedance value between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery is measured for each frequency of the measurement signal. With a measuring instrument
It has a calculation unit for estimating the ion concentration in the electrolytic solution of the secondary battery based on the Nyquist diagram generated by using the plurality of measured battery impedance values.
The calculation unit
In the Nyquist diagram, the difference between the real value components or the difference between the imaginary value components between the two predetermined battery impedance values on the Nyquist diagram in the transition frequency region is the amount of change in the real value or the difference between the imaginary value components, respectively. , Calculated as the amount of imaginary value change,
Oxidation corresponding to the real value change amount or the imaginary value change amount with reference to the ion concentration estimation information prepared in advance and showing the correspondence between the real value change amount or the imaginary value change amount and the oxidation-reducing substance ion concentration. A secondary battery ion concentration estimation device that calculates the ion concentration of a reducing substance.
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